На правах рукописи

Васильев Николай Владимирович МОДЕЛИ И МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ МУЛЬТИАГЕНТНЫХ СИСТЕМ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ОБЪЕКТАМИ Специальности: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2009 2

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина).

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор Яшин А. И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Душин С. Е.

кандидат технических наук, доцент Раков И. В.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук (СПИИРАН)

Защита диссертации состоится л02 ноября 2009 г. в 14:00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.07 СанктПетербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ им.

В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан л01 октября 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Цехановский В. В.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные концепции управления сложными распределенными системами в различных отраслях человеческой деятельности (например, энергетика, транспортная логистика, системы связи, grid - системы и т.д.), базируются на парадигме человеко-машинной организации процессов управления, в которой роль принятия решений отводится человеку, а машина обеспечивает информационную поддержку этапов выработки и генерации альтернативных вариантов решений. Использование данного подхода является вынужденной мерой преодоления высокого уровня неопределенности условий решения задач управления сложными, нелинейными и динамическими объектами. При этом эффективность систем управления во многом определяется субъективными свойствами человека (группы лиц) действующего в контуре управления, что в свою очередь требует от него (них) высокого уровня компетенции в возникающих проблемных ситуациях. Известным и широко используемым методом преодоления субъективности и повышения уровня компетентности человека в принятии управляющих решений является использование систем поддержки принятия решений (СППР).

СППР обеспечивают корректность решения задач выбора предпочтительных (рациональных) вариантов управления за счет инфокоммуникационной поддержки конечного пользователя на различных этапах его деятельности при помощи совокупности технологически взаимоувязанных сервисов, реализующих традиционные и перспективные информационные технологии. Основным недостатком известных подходов к построению СППР для управления распределенными объектами (РОУ) является отсутствие в них механизмов реструктуризации, срабатывающих в случае возникновения непредвиденных ситуаций структурных изменений РОУ, которые, в свою очередь, обуславливают частичную деградацию структур СППР. Примером таких структурных изменений РОУ могут служить:

- аварии на энергосетях, приводящие к частичному уничтожению структурных элементов (серверов) корпоративной СППР;

- изменения структурной топологии (аварии на узлах и пунктах управления) полевых сетей связи МЧС, МО РФ в условиях ликвидации чрезвычайных ситуаций и локальных конфликтов, соответственно;

- изменения структурной топологии сети в результате ее интеграции с другими сетями связи, приводящие к необходимости изменения структуры объединенной СППР.

Однако, несмотря на значительное количество работ отечественных и зарубежных научных школ и ученых в этой предметной области, до сих пор отсутствует системная проработка вопросов самоорганизации частично деградировавшей структуры СППР для управления РОУ в условиях его структурной деградации с целью обеспечения требуемого (или приемлемого для достижения цели) качества информационной поддержки процессов выработки и принятия решений.

Данное противоречие делает актуальным направление выполненных исследований, сформулированных в виде научной задачи разработки моделей и метода построения мультиагентных систем поддержки принятия решений для управления распределенными объектами.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является улучшение научно-методического аппарата ситуационного анализа и методов построения мультиагентных СППР для управления распределенными объектами с динамически изменяемой структурой. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Системный анализ задачи реструктуризации СППР для управления РОУ с динамически изменяемой структурой;

2. Разработка модели поведения элементов РОУ, обеспечивающей получение верифицируемой автоматной модели поведения распределенного объекта;

3. Разработка метода автоматического получения используемой в задачах диагностики модели причинно-следственных зависимостей между событиями, порождаемыми элементами РОУ;

4. Разработка модели и алгоритма реструктуризации СППР при возникновении параметрических и структурных изменений распределенного объекта управления;

5. Построение макета типовой мультиагентной СППР для управления РОУ и оценка эффективности предлагаемых решений.

Объектом исследования являются мультиагентные системы поддержки принятия решений для управления распределенными объектами.

Предметом исследования являются модели и алгоритмы построения мультиагентных систем поддержки принятия решений для управления распределенными объектами.

Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы системного анализа, математической логики, дискретной математики, теории комплексного системного проектирования.

Научные положения, выносимые на защиту:

1.Модель поведения элементов РОУ на основе алгебры процессов Милнера.

2.Метод получения графов зависимостей событий на основе алгебры процессов Милнера.

3.Модель и алгоритм реструктуризации СППР при возникновении структурных и параметрических изменений РОУ.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней разработана модель поведения элементов РОУ, метод получения графов зависимостей событий на основе алгебры процессов Милнера и на их основе предложены, реализованы и исследованы модель и алгоритм реструктуризации СППР при возникновении структурных и параметрических изменений РОУ.

1. Модель поведения элементов РОУ отличается использованием для моделирования поведения элементов РОУ ограниченного набора классов выражений алгебры процессов Милнера (источники, проводники, стоки событий), являющихся символической формой задания автоматов. Каждому классу онтологии РОУ приписывается выражение алгебры, моделирующее его поведение. В дальнейшем, при наличии актуализированной структуры РОУ, результирующее выражение, описывающее поведение РОУ может быть получено из выражений, описывающих поведение его компонентов за счет применения оператора композиции У|Ф алгебры Милнера. Это позволяет получить формальное представление свертки траекторного многообразия РОУ для последующего его анализа средствами моделирования.

2. Метод получения графов зависимостей событий отличается использованием для порождения целевого графа зависимостей событий модифицированного автоматного представления (на основе алгебры процессов Милнера) их возможной логики в ограничениях онтологии структуры РОУ, что позволяет получить верифицируемые модели поведения объекта управления. Переход от выражения алгебры процессов Милнера, описывающего поведение РОУ к целевому представлению на основе графов зависимостей событий осуществляется на основе доказанного в работе утверждения, определяющего необходимые и достаточные условия такого перехода.

3. Модель и алгоритм реструктуризации СППР для управления РОУ в условиях его структурной деградации с целью обеспечения требуемого (или приемлемого для достижения цели) качества информационной поддержки процессов выработки и принятия решений отличаются использованием модифицированной при помощи Уимитации отжигаФ контрактной сети агентов. Алгоритм предполагает введение глобального показателя УтемператураФ сети агентов. Под УтемпературойФ понимается совокупность показателей, характеризующих количество элементов в модели РОУ, определяющих неопределенность решения задачи выбора варианта реструктуризации, а также количество узлов тяготения (мест размещения моделей элементов РОУ).

Практическая значимость. Разработанные в диссертации основные научные положения, рекомендации и алгоритмы являются базой для научнометодического аппарата проектирования мультиагентных СППР для управления РОУ с динамически перестраиваемой структурой, разработанных и внедренных в двух промышленных НИР и одной ОКР.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- ежегодных научно-технических конференциях профессорскопреподавательского состава СПбГЭТУ (2006 - 2009 гг.);

- военно-научной конференции УИнформационная технология в радиоэлектронных системахФ, 2007 г. (г. Горелово);

- на седьмой всероссийской научно-технической конференции Новые информационные технологии в системах связи и управления, 2008 г. (г. Калуга).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них - статьи (2 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК), 3 работы - в материалах всероссийских научнотехнических конференций.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав с выводами, заключения, списка использованной литературы, включающего 116 наименований, и трех приложений. Основная часть диссертации изложена на 143 страницах машинописного текста. Работа содержит 39 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, сформулированы основные положения и научные результаты, выносимые на защиту, дана краткая характеристика их новизны, достоверности и практической ценности.

В первой главе проведен анализ сложных распределенных систем как объектов управления. Рассмотрены основные подходы к построению СППР для управления распределенными объектами, а также проанализированы основные подходы к повышению их эффективности. Предложен подход к построению перспективной мультиагентной СППР для управления РОУ с динамически изменяемой структурой.

Выявлено, что основными проблемами в цикле управления РОУ являются динамика структуры объекта и сложность причинно-следственных связей протекающих временных процессов. Эти особенности позволяют характеризовать РОУ как объект с высокой размерностью изменяемого во времени пространства состояний. Комплексный характер событий РОУ приводит к необходимости наличия средств логической фильтрации, позволяющих осуществить свертку множества событий до их базового первичного ядра. Воздействия, приводящие к изменению структуры объекта, вызывают в свою очередь деградацию структурных и динамических моделей РОУ, используемых СППР. С целью обеспечения требуемого (или приемлемого для достижения цели) качества информационной поддержки процессов выработки и принятия решений необходимо наличие механизмов, позволяющих осуществить компенсацию данных воздействий и поддержку адекватного состояния моделей структуры и динамики РОУ.

При ограничениях, налагаемых динамикой структуры РОУ, предложена обобщенная схема получения событийной модели РОУ, используемой в процессе логической фильтрации. Данная схема предполагает сочетание двух методов логической фильтрации событий: обладающего свойствами гибкости по отношению к структуре РОУ и верифицируемостью автоматного метода и метода фильтрации на основе графов зависимостей событий, позволяющих добиться компактного и эффективного представления динамики РОУ.

Показано, что двухслойная архитектура СППР, предполагающая сочетание иерархического и децентрализованного подходов к организации, позволяет учесть высокую размерность изменяемого во времени пространства состояний РОУ. Первичность процесса компенсации структурных изменений РОУ по отношению к процессу выработки решения предопределяет верхний управляющий слой, как обеспечивающий решение задачи реструктуризации. Децентрализованный подход к построению как верхнего, так и нижнего слоя учитывает распределенный характер объекта управления. На основании изложенного, предложена архитектура перспективной мультиагентной СППР для управления распределенным объектом.

Использование мультиагентного подхода обусловлено тем, что глобальная цель обеспечения качества информационной поддержки процессов выработки и принятия решений в рамках распределенной СППР, может быть декомпозирована на совокупность подцелей обеспечения информационной поддержки в рамках узловых СППР. Архитектура перспективной мультиагентной СППР для управления распределенным объектом представлена на рисунке 1. Основу системы составляет сеть узловых СППР, ответственных за мониторинг фрагментов РОУ. Особенностью СППР является наличие 2-х типов агентов: пользовательских агентов, позволяющих снизить нагрузку на администратора за счет сохранения наиболее важных схем обработки данных и системных агентов. Системные агенты в свою очередь можно разделить на агентов контроля структуры РОУ (агент мониторинга структуры и агенты реструктуризации) и технологических агентов, к которым относят агентов контекста событий.

Научной задачей, решаемой в работе является разработка метода реструктуризации систем поддержки принятия решения для управления распределенными объектами с изменяемой структурой, решение которой определило последовательность содержание сформулированных и решенных в диссертации задач.